海洋平臺(tái)事故及金屬阻尼材料F4 2003

1、 調(diào)研報(bào)告撰寫(xiě)者：章靖國(guó)調(diào)研報(bào)告撰寫(xiě)者：章靖國(guó)（寶鋼集團(tuán)有限公司（寶鋼集團(tuán)有限公司 上海鋼鐵研究所）上海鋼鐵研究所）由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性、隨機(jī)性以及平臺(tái)結(jié)構(gòu)的損傷積累等原因，國(guó)內(nèi)外都曾多次發(fā)生海洋平臺(tái)事故，造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失。1964年冬，美國(guó)阿拉斯加庫(kù)克灣兩座新建成的鉆井平臺(tái)被海冰推倒。1969年春，我國(guó)自行建造的渤海老二號(hào)平臺(tái)被海冰推倒。由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性、隨機(jī)性以及平臺(tái)結(jié)構(gòu)的損傷積累等原因，國(guó)內(nèi)外都曾多次發(fā)生海洋平臺(tái)事故，造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失。1964年冬，美國(guó)阿拉斯加庫(kù)克灣兩座新建成的鉆井平臺(tái)被海冰推倒。1969年春，我國(guó)自行建造的渤海老二號(hào)平臺(tái)被海冰推倒。海冰對(duì)結(jié)構(gòu)的作用 冰荷載

2、是高緯度海域海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮的主要環(huán)境荷載之一。在冰情嚴(yán)重的海域，冰荷載甚至超越其他荷載，成為海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制荷載。冰連續(xù)的作用引起結(jié)構(gòu)劇烈振動(dòng)，長(zhǎng)期大幅度振動(dòng)引起結(jié)構(gòu)的疲勞累計(jì)損傷，甚至可能導(dǎo)致失效。渤海是我國(guó)重要的海洋油氣開(kāi)發(fā)基地，也是我國(guó)惟一冬季結(jié)冰的內(nèi)海。其中以遼東灣最為嚴(yán)重。渤海JZ20-2油氣田的生活動(dòng)力平臺(tái)JZ20-2MUQ平臺(tái)，位于遼東灣北部，冰致振動(dòng)非常嚴(yán)重，實(shí)測(cè)20-30cm厚單冰作用下平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度最高達(dá)300gal 。結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制: 主動(dòng)控制、半主動(dòng)控制、被動(dòng)控制和混合控制。主動(dòng)控制主動(dòng)控制 Active Control半主動(dòng)控制半主動(dòng)控制 Semi- A

3、ctive Control被動(dòng)控制被動(dòng)控制 Passive Control混合控制混合控制 Hybrid Control被動(dòng)控制 Passive Control 通過(guò)采用隔振、吸振和耗能等技術(shù)來(lái)減小結(jié)構(gòu)吸收的能量，達(dá)到減振的目的。1. 隔振技術(shù)隔振技術(shù) 2. 動(dòng)力吸振技術(shù)動(dòng)力吸振技術(shù) 3. 耗能技術(shù)耗能技術(shù) 1. 隔振技術(shù) 在上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間安置適當(dāng)?shù)囊种普駝?dòng)的裝置，限制輸入結(jié)構(gòu)的能量，增大結(jié)構(gòu)的自振周期，同時(shí)增加結(jié)構(gòu)的阻尼。 橡膠隔振、滑動(dòng)隔振、擺動(dòng)隔振、彈簧隔振等。采用隔振手段技術(shù)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、性能可靠，因而是一種有效的振動(dòng)控制技術(shù)。橡膠隔振墊橡膠隔振墊的老化老化和耐久性耐久性問(wèn)題。（阻

4、尼合金的優(yōu)阻尼合金的優(yōu)勢(shì)勢(shì)） 2 .動(dòng)力吸振技術(shù) 動(dòng)力吸振技術(shù)動(dòng)力吸振技術(shù)是在主結(jié)構(gòu)上附加一子系統(tǒng)，在荷載作用下，通過(guò)子系統(tǒng)大量吸收能量，保護(hù)主體結(jié)構(gòu)。 動(dòng)力吸振減振裝置：調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)調(diào)諧液體 阻尼器(TLD) 液壓一質(zhì)量控制系統(tǒng)(HMS)3. 耗能技術(shù)是將結(jié)構(gòu)的某些部件設(shè)計(jì)成耗能構(gòu)件或安裝一些耗能器來(lái)消耗振動(dòng)能量。1978年美國(guó)Kelly和Eidinger提出疊層橡膠支座疊層橡膠支座隔震方法和技術(shù)，結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震進(jìn)入了蓬勃發(fā)展的階段。20世紀(jì)70年代初，美國(guó)Kelly 提出在結(jié)構(gòu)中設(shè)置非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耗能元件金屬軟鋼屈服耗能器金屬軟鋼屈服耗能器，包括扭轉(zhuǎn)梁、彎曲梁和U形鋼器件等，分擔(dān)和

5、耗散本來(lái)由結(jié)構(gòu)構(gòu)件耗散的能量。這一思想是對(duì)結(jié)構(gòu)抗震延性設(shè)計(jì)的一個(gè)重要發(fā)展，由此形成了結(jié)構(gòu)耗能減振的一個(gè)重要方向。粘彈性阻尼器粘彈性阻尼器: 利用材料的粘彈性改變結(jié)構(gòu)的能量?jī)?chǔ)備與耗散。摩擦阻尼器摩擦阻尼器: 通過(guò)摩擦裝置滑動(dòng)做功。3. 耗能技術(shù)（續(xù)一） 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)： 不同的結(jié)構(gòu)耗能技術(shù)具有廣泛的適用性，同時(shí)耗能裝置成本低廉、性能可靠。 不足：需要裝設(shè)較多數(shù)量耗能裝置才能起到有效的減振效果。被動(dòng)控制系統(tǒng)不需要外部能源，但是只對(duì)某種設(shè)定的荷載動(dòng)特征進(jìn)行控制，缺乏跟蹤 和調(diào)節(jié)的能力。其效果明顯依賴(lài)于輸入激勵(lì)的頻譜特性和結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，適用范圍較窄。半主動(dòng)控制半主動(dòng)控制以被動(dòng)控制為主體，同時(shí)用少量能量改變

6、控制系統(tǒng)的參數(shù)或工作狀態(tài)，起到調(diào)節(jié)控制力的作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的可調(diào)控制。目前已經(jīng)出現(xiàn)的半主動(dòng)控制裝置：主動(dòng)變剛度控制裝置、電流變阻尼器、磁流變阻尼器、可調(diào)干摩擦阻尼器、可調(diào)粘滯阻尼器、半主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器和半主動(dòng)調(diào)諧液體阻尼器等。較近發(fā)展起來(lái)智能材料智能材料為基礎(chǔ)的智能可調(diào)智能可調(diào)半主動(dòng)控制裝置：磁流變液MRF、電流變液ERF、結(jié)構(gòu)形狀記憶合金SMA和壓電材料等。以它們?yōu)椴牧现瞥傻闹悄芷骷?如阻尼器、驅(qū)動(dòng)器等) 具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)容易、耗能小、響應(yīng)迅速的優(yōu)點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制領(lǐng)域中它們具有廣闊的應(yīng)用前景。 磁流變阻尼器 磁流變阻尼器(Magneto-Rheological Fluid Damp

7、er，簡(jiǎn)稱(chēng)MRFD)是利用磁流變液的磁流變效應(yīng)而制成的可調(diào)阻尼元件MRFD是一種可調(diào)阻尼元件，控制方便、響應(yīng)迅速 (十毫秒級(jí))、能耗小、調(diào)節(jié)范圍寬、溫度適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著智能結(jié)構(gòu)和材料智能結(jié)構(gòu)和材料出現(xiàn)，MRF技術(shù)得到了快速發(fā)展，MRF阻尼器件也顯示出廣泛的應(yīng)用前景。已應(yīng)用于汽車(chē)、建筑結(jié)構(gòu)和直升飛機(jī)中?；贛RFD的海洋平臺(tái)半主動(dòng)控制技術(shù)海洋平臺(tái)半主動(dòng)控制技術(shù)，在海洋工程領(lǐng)域在海洋工程領(lǐng)域有重要應(yīng)用前景。有重要應(yīng)用前景。混合控制混合控制就是在結(jié)構(gòu)上同時(shí)應(yīng)用被動(dòng)控制和主動(dòng)控制，或者是同時(shí)應(yīng)用不只一種的被動(dòng)控制方法，以獲得更好的控制效果。阻尼材料 結(jié)構(gòu)振動(dòng)在很多情

8、況下非常有害：疲勞破壞噪聲振動(dòng)表征阻尼性能的若干主要參數(shù) 從從0.01Hz0.01Hz到超聲波具有高阻尼到超聲波具有高阻尼STAR SILENT 阻尼合金從0.01Hz 到超聲波頻率的8MHz的寬頻率帶展現(xiàn)出高阻尼性能。在超聲波頻域上的阻尼性能堪比橡膠。橡膠雖能有效地吸收高頻波，但卻無(wú)法去除低頻波。STAR SILENT 阻尼合金的特點(diǎn)是其低頻端阻尼性能優(yōu)于高頻端阻尼性能。去除低頻波是HZ-ZN阻尼合金的特點(diǎn)。優(yōu)良的低頻端阻尼性能低頻大振幅下具有良好阻尼性能STAR SILENTSTAR SILENT 合金合金的阻尼性能與頻率及振幅的關(guān)系合金合金的阻尼性能與頻率及振幅的關(guān)系極低溫度下的高阻尼性

9、能及高延性極低溫度下的高阻尼性能及高延性STAR SILENT 合金在液氦（Helium）溫度下也具有良好的阻尼性能。STAR SILENT 合金有高延性。沒(méi)有出現(xiàn)低溫脆性。即使便是鉛及高分子材料，其阻尼性能也會(huì)在低溫下急劇下降，材質(zhì)脆化，但是STAR SILENT合金卻不會(huì)發(fā)生這種情況。應(yīng)用及國(guó)內(nèi)外概況阻尼合金的應(yīng)用方法插入振動(dòng)路徑插入振動(dòng)路徑貼在振動(dòng)源上貼在振動(dòng)源上包圍振動(dòng)源包圍振動(dòng)源連接在振動(dòng)源之間連接在振動(dòng)源之間阻尼合金阻尼合金（A A）夾、插入（）夾、插入（B B）支撐（）支撐（C C）連結(jié)）連結(jié)（D D）粘附（）粘附（E E）聚集（）聚集（F F）包圍）包圍 阻尼合金應(yīng)用的主要領(lǐng)域

10、阻尼合金應(yīng)用的主要領(lǐng)域 家電業(yè)界家電業(yè)界精密儀器測(cè)定精密儀器測(cè)定汽車(chē)制造業(yè)汽車(chē)制造業(yè)醫(yī)療器械行業(yè)醫(yī)療器械行業(yè)建筑行業(yè)建筑行業(yè)土木業(yè)土木業(yè)(公路橋梁公路橋梁) 應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍在航天工業(yè)上在航天工業(yè)上, , 可用于火箭、導(dǎo)彈和飛機(jī)等使用的控制臺(tái)及陀可用于火箭、導(dǎo)彈和飛機(jī)等使用的控制臺(tái)及陀螺儀等精密儀囂螺儀等精密儀囂, , 以及發(fā)動(dòng)機(jī)罩或渦輪機(jī)葉片等有關(guān)機(jī)械。以及發(fā)動(dòng)機(jī)罩或渦輪機(jī)葉片等有關(guān)機(jī)械。在汽車(chē)工業(yè)上在汽車(chē)工業(yè)上, ,有車(chē)身、制動(dòng)器盤(pán)、旋轉(zhuǎn)機(jī)械零件、變速器和濾有車(chē)身、制動(dòng)器盤(pán)、旋轉(zhuǎn)機(jī)械零件、變速器和濾氣器等。氣器等。 在土木建筑業(yè)在土木建筑業(yè), , 有橋梁、鑿巖機(jī)等。有橋梁、鑿巖機(jī)等。 在機(jī)

11、械制造業(yè)上在機(jī)械制造業(yè)上, , 有鍛壓機(jī)、鏈?zhǔn)竭\(yùn)輸機(jī)用的鏈條導(dǎo)軌和各種有鍛壓機(jī)、鏈?zhǔn)竭\(yùn)輸機(jī)用的鏈條導(dǎo)軌和各種齒輪等。齒輪等。在鐵路上在鐵路上, , 有車(chē)輪和路軌等。有車(chē)輪和路軌等。 在造船工業(yè)上，有旋轉(zhuǎn)機(jī)械零件和螺旋槳等。在造船工業(yè)上，有旋轉(zhuǎn)機(jī)械零件和螺旋槳等。在家用電器方面在家用電器方面, , 有空凋器、洗衣機(jī)等。有空凋器、洗衣機(jī)等。在辦公設(shè)備方面在辦公設(shè)備方面, , 有打字機(jī)和鉆眼機(jī)等。有打字機(jī)和鉆眼機(jī)等。1，潛艇螺旋槳：英國(guó)研究的，潛艇螺旋槳：英國(guó)研究的 Sonostone 合金合金用于潛艇螺旋槳已有十幾年的使用實(shí)績(jī)用于潛艇螺旋槳已有十幾年的使用實(shí)績(jī), 并為法并為法國(guó)、瑞典、丹麥、意大利

12、和南斯拉夫等國(guó)的潛國(guó)、瑞典、丹麥、意大利和南斯拉夫等國(guó)的潛艇配裝了螺旋槳艇配裝了螺旋槳, 有明顯的降噪效果。有明顯的降噪效果。2, 鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)導(dǎo)軌：鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)導(dǎo)軌： 電子儀器裝配廠(chǎng)用英國(guó)的電子儀器裝配廠(chǎng)用英國(guó)的Sonostone 合金改裝的鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)導(dǎo)軌合金改裝的鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)導(dǎo)軌, 噪聲噪聲明顯下降。明顯下降。3，機(jī)械濾波器罩：，機(jī)械濾波器罩： 用用 Sonostone 合金后合金后,下下降了降了14 分貝。分貝。4，鑿巖機(jī)桿：，鑿巖機(jī)桿： 用用 Sonostone 合金鑲片合金鑲片, 從從111 分貝降至分貝降至98 分貝。分貝。5，消聲車(chē)輪：，消聲車(chē)輪： 用用 Sonostone 合金減振后

13、合金減振后,噪噪聲下降了聲下降了6 分貝。分貝。6，科特雷爾式高溫靜電集塵器用錘：，科特雷爾式高溫靜電集塵器用錘： 用美國(guó)用美國(guó)研制的研制的 Incramute 合金后合金后, 噪聲下降了噪聲下降了13-30 分分貝。貝。7，圓盤(pán)鋸和電粉碎機(jī)：，圓盤(pán)鋸和電粉碎機(jī)： 用用 Incramute 合金減合金減振后振后, 噪聲下降了噪聲下降了13-30 分貝分貝8，垃圾處理機(jī)：垃圾處理機(jī)的升降裝置用，垃圾處理機(jī)：垃圾處理機(jī)的升降裝置用MnCu 合金后合金后, 噪聲降低噪聲降低6-9 分貝分貝.9, 燃?xì)鉁u輪機(jī)嚙（燃?xì)鉁u輪機(jī)嚙（nie）合齒輪：在嚙合齒輪上）合齒輪：在嚙合齒輪上套裝套裝 MnCu 合金減

14、振環(huán)后，減振效果是原來(lái)的合金減振環(huán)后，減振效果是原來(lái)的300多倍。多倍。10，汽車(chē)用凸輪軸齒輪：，汽車(chē)用凸輪軸齒輪： 用用 MnCu 合金環(huán)包覆合金環(huán)包覆在齒輪上后在齒輪上后, 減振能力增加了減振能力增加了10-40倍。倍。應(yīng)用例應(yīng)用例1 阻尼合金用于阻尼合金用于Tool HolderTool Holder阻尼合金阻尼合金應(yīng)用例應(yīng)用例1 阻尼合金用于阻尼合金用于Tool Holder未使用阻尼合金未使用阻尼合金使用阻尼合金使用阻尼合金應(yīng)用例應(yīng)用例1 阻尼合金用于阻尼合金用于Tool Holder制振合制振合金金制振合金制振合金振動(dòng)：顫振振動(dòng)：顫振： 振紋振紋 應(yīng)用例應(yīng)用例2 2 用阻尼合金墊圈

15、和阻尼合金板隔振用阻尼合金墊圈和阻尼合金板隔振Washer 墊圈應(yīng)用例應(yīng)用例2a2a 用普通金屬墊圈和阻尼合金板隔振用普通金屬墊圈和阻尼合金板隔振金屬墊圈制振原理金屬墊圈制振原理金金屬屬墊墊圈圈制制振振原原理理無(wú)墊圈無(wú)墊圈普通金屬墊圈普通金屬墊圈阻尼合金墊圈阻尼合金墊圈例例4 4 在音響設(shè)備中的應(yīng)用在音響設(shè)備中的應(yīng)用裝配在裝配在CD上的上的夾持器夾持器（clamper）,由于由于其自身的旋轉(zhuǎn)，在其自身的旋轉(zhuǎn)，在700Hz左右產(chǎn)左右產(chǎn)生共振，由此使音質(zhì)受到影響。生共振，由此使音質(zhì)受到影響。但是在夾持器與光盤(pán)相接的一面貼上但是在夾持器與光盤(pán)相接的一面貼上一枚一枚0.1mm的圓形中空狀的阻尼合金的圓

16、形中空狀的阻尼合金薄片，就能吸收光盤(pán)多余振動(dòng)。薄片，就能吸收光盤(pán)多余振動(dòng)。下面一個(gè)圖表示下面一個(gè)圖表示: 對(duì)新舊型夾持器的對(duì)新舊型夾持器的測(cè)試數(shù)據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù): 虛線(xiàn)是未使用阻尼合金的數(shù)據(jù)虛線(xiàn)是未使用阻尼合金的數(shù)據(jù);實(shí)線(xiàn)所示的是使用阻尼合金的數(shù)據(jù)。實(shí)線(xiàn)所示的是使用阻尼合金的數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)可以看出從數(shù)據(jù)可以看出: 在在700Hz附近附近,由于由于使用阻尼合金薄片使用阻尼合金薄片, 降低了降低了10幾幾dB。 阻尼合金阻尼合金阻尼合金阻尼合金例例4 4 在音響設(shè)備中的應(yīng)用在音響設(shè)備中的應(yīng)用左圖表示：模仿路面振動(dòng)，故意使左圖表示：模仿路面振動(dòng)，故意使其干擾并顯示其干擾并顯示CDCD的轉(zhuǎn)軸（的轉(zhuǎn)軸（spindlespindle）的的聚焦伺服（聚焦伺服（focus servofocus servo）的錯(cuò)誤的錯(cuò)誤信號(hào)的變化。信號(hào)的變化。圖下方的劇烈的振幅波形是干擾信圖下方的劇烈的振幅波形是干擾信號(hào)，上方左右的波形是號(hào)，上方左右的波形是伺服系伺服系統(tǒng)統(tǒng)所所發(fā)揮的制振效果。發(fā)揮的制振效果。右邊所示的是使用阻尼合金薄片的右邊所示的是使用阻尼合金薄片的測(cè)試結(jié)果。把其與左邊所示不使用測(cè)試結(jié)果。把其與左邊所示不使用阻尼合金薄片的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比阻尼合金薄片的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)：使用阻尼合金片，顯著抑，發(fā)現(xiàn)：使用阻尼合金片，顯著抑